張桂芳

(陜西榆林農(nóng)業(yè)學校,陜西榆林 719000)

李家粱水庫引水拉砂筑壩顆粒級配試驗研究

張桂芳

(陜西榆林農(nóng)業(yè)學校,陜西榆林 719000)

通過顆粒級配試驗方法,闡述了從取樣、計算、以及顆粒大小分布曲線繪制的全過程。論證了李家粱水庫筑壩材料顆粒級配的總體情況,為工程后期建設(shè)方案提供了有力的理論依據(jù)。

引水拉砂筑壩;級配不良;顆粒級配試驗;李家梁水庫

水力沖填筑壩是利用黃土山區(qū)溝深坡陡、土場高的地形優(yōu)勢,把水抽上山,送到松動了的土場上,土隨水流,邊流邊沖,滾翻跌落,水土交溶,形成稠泥漿,輸送至筑有邊埂的壩面上,待泥漿脫水固結(jié),便成均勻密實的壩體。這種筑壩方法群眾叫“水墜壩”[1]。它工效高、成本低、質(zhì)量好、施工簡便。

壩體填筑可分為邊埂填筑、分畦填筑、壩體水力拉砂填筑、壩體填筑質(zhì)量檢測和壩迎水坡土工膜鋪設(shè)。在進行壩體水力拉砂填筑時要求先拉分畦壩上游壩段,達到控制高度以后,再進行壩下游段拉砂填筑;每次拉砂平均高度是1 m,拉砂區(qū)域高差不能大于30 cm;拉砂時必須將上一層的雜物清理干凈;每拉砂一次要把壩體與建筑物連接處碾壓夯實;拉砂填筑面表層有積水應(yīng)及時排除;在排水管排出的水跌差超過5 m時應(yīng)在壩腳處修建消力池;當拉砂筑壩低洼部積水無法消除或某區(qū)域淤泥質(zhì)較厚時可采用干砂吸水法碾壓處理,直到干密度達到設(shè)計規(guī)范要求即可[2]?？梢?保證良好的密實度是筑壩的宗旨,選擇良好的顆粒級配是質(zhì)量的關(guān)鍵。

1 工程概況

李家粱水庫位于榆林市西北40 km的孟家灣鄉(xiāng)曹家粱村附近圪求河下游,地處毛烏素沙漠邊緣。該樞紐是以灌溉為主,兼有防洪、養(yǎng)殖等綜合利用的水利工程,也是陜西省“十五”重點建設(shè)項目。水庫庫區(qū)大面積覆蓋風積沙丘,地形西北高,東南低。水庫總庫容2 340×104m3,調(diào)節(jié)庫容1 690×104m3,多年平均調(diào)節(jié)水量3 117×104m3。水庫建成后,可新增1 333 hm2灌溉面積。工程由攔河大壩與放水建筑物兩部分組成,其中大壩最大壩高25 m,壩頂長876m,壩頂寬8 m,壩底長263 m,壩底寬 172.5 m,下游壩坡為 1∶3、1∶3.5、1∶1.5 三級坡 ,坡面為植物防護;上游壩坡為 1∶3、1∶3.5二級坡,壩坡采用復合土工膜防滲混凝土板護坡。工程于2002年8月開工建設(shè),建設(shè)總工期為三年[3]。

2 顆粒級配試驗

2.1 試驗原因

李家粱水庫地理位置特殊,地質(zhì)條件復雜,水庫壩址區(qū)有豐富的中、細砂,儲量和質(zhì)量滿足水力沖填堆筑砂壩的天然要求,也適合當?shù)厣詈窦毶皩拥鼗囊?而確保良好的顆粒級配是解決水庫滲漏有力保障。

李家粱水庫引水拉砂筑壩分為兩期,一期為自流引水拉砂,二期為抽水站抽水引水拉砂。一期自流引水拉砂后發(fā)現(xiàn)砂子分層現(xiàn)象嚴重,上層為一層泥,厚度不一,最大可達4 cm,說明壩體砂子顆粒級配上存在問題。對本工程而言,壩體砂子顆粒級配不良可能出現(xiàn)以下問題:①可能誘發(fā)不均勻沉陷,并由此產(chǎn)生壩體裂縫,進而出現(xiàn)滲漏引起管涌、流土或壩體水飽和,嚴重時可引起滑坡甚至潰壩;②泥層相對壩體砂子而言是隔水層,其相對抬高了該壩的浸潤線,造成反濾體形同虛設(shè),對大壩安全極為不利,而且泥層易軟化、泥化、也可誘發(fā)滑坡。原因在于一期自流引水拉砂輸砂渠比降小,為了增大輸砂渠比降,同時提高施工進度,適當改善壩體砂子顆粒級配狀況,將一期自流引水拉砂所拉砂筑為邊埂后進行二期抽水站抽水引水拉砂。

2.2 試驗取樣、篩分及參數(shù)計算

入水口樁號為0+307,排水口樁號0+570,所以在壩體取樣,樁號分別為0+350、0+450、0+550,第一次試驗取上述三處及當前土場試樣共四組試樣,第二次試驗在0+550處取一組,試樣重500 g～700 g,按中華人民共和國水利部發(fā)布的編號為SL237-1999《土工試驗規(guī)程》中規(guī)定用篩析法進行試驗,篩子用國家新標準砂石方孔篩,所取試樣篩分結(jié)果如表1。

表1 顆粒篩分結(jié)果表

級配試驗所需要計算的參數(shù)見表2、顆粒分布曲線見圖1。

表2 顆粒級配試驗參數(shù)計算表[4]

圖1 不同部位顆粒級配圖[5]

根據(jù)顆粒大小分布曲線圖最后得出的參數(shù)為不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc。其中不均勻系數(shù)Cu反映大小不同粒組的分布情況,Cu越大表示土粒大小的分布范圍越大,顆粒大小越不均勻,其級配越良好,作為填方工程的土料時,粗顆粒的空隙恰好由中顆粒填充,中顆粒的空隙恰好由細顆粒填充,如此逐級填充使顆粒形成最密致的堆積狀態(tài),空隙率達到最小值,堆積密度達最大值。曲線系數(shù)Cc是累積曲線的分布范圍,反映曲線的整體形狀,或稱反映累積曲線的斜率是否連續(xù)。在一般情況下,把Cu≤5的土看作是均粒土,屬級配不良;Cu＞5時,稱為不均粒土;Cu＞10的土屬級配良好。經(jīng)驗證明,當級配連續(xù)時,Cc的范圍約為1～3;因此當Cc＜1或Cc＞3時,均表示級配線不連續(xù)。從工程上看:Cu≥5且Cc=1～3的土,稱為級配良好的土;不能同時滿足上述兩個要求的土,稱為級配不良的土。

2.3 試驗結(jié)果

由于所取試樣粒徑在0.075 mm以下土質(zhì)量與總質(zhì)量比值均小于10%,無需用密度計法或移液管法進行再分析。根據(jù)顆粒大小分布曲線圖(圖1)得出如下結(jié)果(見表2)。

第一次試驗四組試樣均級配不良。原因在于輸砂渠寬度(15 m～20 m)與畦埂間寬(40 m～50 m)驟變使水力要素發(fā)生變化,主要是比降不變的前提下濕周驟然變大,從而使摩阻力加大,使砂粒過早沉淀,引起顆粒級配不良,也使泥漿稠度降低,減小了輸砂能力。這種情況下必須通過改變畦埂寬度,在0+550處采用與輸砂渠等寬約20 m進行分畦,進行引水拉砂再試驗。第二次試驗結(jié)果也表明級配不良,但是曲率系數(shù)Cc,較上次試驗有所改善。

2.4 泥層和乳皮的處理

針對李家粱水庫顆粒級配總體不良的實際情況,施工過程中必須采取措施及時解決每次拉砂后壩體內(nèi)存在的泥層或乳皮,試圖用S型迂回沖填來解決該問題。因排水設(shè)在壩體下游,入水口改在下游壩體分畦上,在輸砂過程中不排水使泥層淤積在上游壩體區(qū),權(quán)且稱之為“自然沖填心墻引水筑壩法”[6]。此法適用于壩址河道狹窄、土壩低、分畦少的水力沖填均質(zhì)壩,而本工程壩址河道寬淺,初期筑壩分畦多,對入水口與水流末端位能差要求高,即上游邊埂填筑高度要求高給施工帶來很大不便而且很不經(jīng)濟,因而采用推土機筑邊埂及畦埂的同時對乳皮進行擾動破壞,對小范圍內(nèi)無法破壞或未能破壞的中下游筑壩區(qū),采取高壓水槍噴射成砂井,使筑壩區(qū)不存在殘存孔隙水。其一有利于加快施工進度,無論是擾動破壞區(qū)或噴射砂井區(qū)均起到了排水減壓作用,加快了筑壩區(qū)的固結(jié)排水速度,使筑壩周期縮短;其二對大壩安全起了積極作用,有效降低了侵潤線,大壩滲流觀測正常,大壩已達16 m,但在筑壩期間還未出現(xiàn)高逸出滲流點,說明對乳皮或泥層的破壞和噴射砂井成功地降低了侵潤線,而且破壞了滑坡面,同時將接觸沖刷、接觸管涌、接觸流土都拒之于工程建設(shè)期與管理期之外。

3 結(jié) 語

通過對李家梁水庫引水拉砂筑壩顆粒級配的反復試驗,得出最終結(jié)論均為土粒級配不良。根據(jù)庫區(qū)特殊的地質(zhì)條件以及顆粒級配的具體情況,施工過程中必須采取相應(yīng)工程措施適當緩解顆粒級配不良的現(xiàn)狀,及時處理建設(shè)期間出現(xiàn)的各種隱患,提高壩體的密實度。

[1]華東水利學院.水工設(shè)計手冊(第四卷)[M].北京:水利電力出版社,1984:43-45.

[2]胡再強,陳存禮.粉煤灰壩料水力沖填試驗研究[C]//巖石力學新進展與西部開發(fā)中的巖土工程問題——中國巖石力學與工程學會第七次學術(shù)大會論文集.北京:中國科學技術(shù)出版社,2002.

[3]陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院.李家粱水庫樞紐工程初步設(shè)計修改報告[R].西安:理工大學出版社,2003:1-60.

[4]南京水利科學研究院.SL237-1999.土工試驗規(guī)程[S].北京:中國水利水電出版社,1999:43-48.

[5]土肥站.質(zhì)地顆粒大小分配半對數(shù)曲線電腦制作方法及計算[EB/OL].福建農(nóng)業(yè)信息網(wǎng).(2010-03-19)[2012-06-29].http://www.fjagri.gov.cn/html/hypd/trfl/xzq/2010/03/19/48355.html.

[6]劉志誠,李 鵬.粉煤灰水力沖填筑壩技術(shù)室內(nèi)模擬試驗研究[J].水利與建筑工程學報,2003,1(4):52-54.

Research on Grading Test in Water-diversion Sand-pull Dam Building of Lijialiang Reservoir

ZHANG Gui-fang
(Yulin Agricultural School of Shaanxi Province,Yulin,Shaanxi719000,China)

The whole process of sampling,calculation and drawing for particle size distribution curve is elaborated here through grading test.Then,the overall situation about the particle size distribution of lijialiang Reservoir'damming materials is demonstrated in detail,thus to provide a strong theoretical basis for the later construction scheme of the project.

water-diversion sand-pull dam building;poor grading;grading test;Lijialiang Reservoir

TV141+.1

A

1672—1144(2012)05—0184—03

2012-04-25

2012-05-26

張桂芳(1975—),女(漢族),陜西吳堡縣人,講師,主要從事農(nóng)田水利工程專業(yè)教學與科研工作。